5.4. Kosmologie

Die Kosmologie beschreibt unseren Kosmos als Ganzes. Dies ist schwierig, da wir nur einen geringen zeitlichen und räumlichen Ausschnitt beobachten können.

Insbesondere beschreibt die Kosmologie die Entwicklung unseres Kosmos’.

• Urknall
• Expansion
• Alter
• Größe

Grundannahmen der Kosmologie

• Der erforschte Teil der Welt ist typisch für das Ganze der Welt.
• Naturgesetze gelten universell
• Die für den beobachtbaren Raum nachgewiesenen Eigenschaften Homogenität und Isotropie besitzen Gültigkeit für das ganze Weltall (siehe → kosmologisches Prinzip).

• In diese Forderungen sind alle Eigenschaften des Weltalls einbezogen:
  • Materie ist überall gleich aufgebaut
  • Moleküle-Atome-Nukleonen-Elektronen
  • Problem: Dunkle Materie und ihre Struktur
• Strahlung hat überall die gleichen Eigenschaften
• gleichförmige Verteilung von Materie und Strahlung

Grundlage der Kosmologie:

• die Beobachtung
• die Gesetze der Physik

Das Kosmologische Prinzip

• Das Universum ist homogen (überall gleich aufgebaute Strukturen)
• Das Universum ist isotrop (es stellt sich dem Beobachter von jedem Beobachtungspunkt und Richtung gleich dar)

Zusammenfassung Kosmologie

• Grundsätzliche Frage war vor Entdeckung der Galaxienflucht: endlich? unendlich?
  • Ein endliches statisches Universum müsste infolge der Gravitation zusammenstürzen.
  • Ein unendliches statisches Universum müsste nachts am ganzen Himmel so hell sein wie eine Sternenoberfläche. (Olbers’sches Paradoxon 1823)
• Das Geschwindigkeitsverhalten der (scheinbar von UNS) „fliehenden” Galaxien spricht für eine Expansion des Raums selbst.
• Ein sich im dreidimensionalen Raum selbst ausdehnendes Universum hätte jedoch einen klar definierten Mittelpunkt (= Ort des „big bang”). Dies widerspricht dem von uns postulierten „kosmologischen Prinzip”.

Anmerkung “Engelhardt”: Bei einer Ausdehnung unseres dreidimensionalen Raums in einer höheren Dimension gibt es keinen Mittelpunkt (der sich in unserem Raum selbst befindet). Ein solches in der 4. Dimension gekrümmtes Universum kann gleichzeitig endlich und trotzdem un-begrenzt sein (Luftballon-Modell).
TIPP: Silvestergespräche eines Sechsecks (Dionys Burger, 1957)
TIPP: Flatland - Eine phantastische Geschichte über viele Dimensionen (Abbott, 1884)*

• Endlich ist in jedem Fall der „beobachtbare” Teil des Universums (endliche Lichtgeschwindigkeit!). Das Licht der am weitesten entfernten Galaxien und Quasare, die wir beobachten, ist seit ca. 14 Milliarden Jahren zu uns unterwegs.
• Unsere Erde, unsere „Maß-Stäbe”, ja unsere ganze Lokale Gruppe nehmen nicht an dieser Ausdehnung teil. Sie findet nur „auf großen Skalen” statt.

Hintergrundstrahlung

Die 1965 von Penzias und Wilson rein zufällig entdeckte, gleichmäßig aus allen Richtungen kommende 3K-Hintergrundstrahlung ist der verbliebene Rest des Ur-„Knalls”, der durch die Raumausdehnung extrem langwellig geworden ist.

3K-Strahlung

elektromagnetische Strahlung, die der thermischen Strahlung eines 3 Kelvin „warmen” Körpers entspricht.

Man hat inzwischen in der 3K-Strahlung winzige Temperatur-Schwankungen entdeckt, die besser zu der extrem inhomogenen Struktur unseres Universums passen als eine absolut homogene Strahlung. Trotzdem ist die Entstehung der extremen Inhomogenität unseres Kosmos (Galaxienhaufen, Galaxien, Sterne) eine der großen ungelösten Fragen der modernen Astronomie.

Massenverteilung

Nach neuesten Messungen zeigt die Anordnung der Galaxien-Superhaufen eine blasenförmige Struktur, d.h. Materieansammlungen sind verbunden mit fadenartigen Gebilden („Filamente”), dazwischen gibt es riesige Leerräume („Voids”). Die dichteren Bereiche haben eine ähnliche Struktur wie die Kanten, die Seifenblasen im Schaum bilden.

Dunkle Materie

Wie schon erwähnt, lassen die Rotationskurven von Galaxien auf die Existenz einer DUNKLEN MATERIE schließen, die sich nur durch ihre Gravitationswirkung bemerkbar macht. Ferne Galaxienhaufen zeigen auch Lichtablenkungseffekte („Gravitationslinsen”), die zu stark sind, um durch die „normale” sichtbare Materie erklärt zu werden. (s.u.)

Dunkle Energie

Jüngere Entfernungsmessungen an fernen Galaxien mit Hilfe von Supernovae Typ Ia zeigen, dass unser Raum beschleunigt expandiert, trotz der gravitativen Bremswirkung von baryonischer Materie und dunkler Materie. Niemand weiß, wer oder was diese Anti-Gravitation bewirkt. Man spricht von der DUNKLEN ENERGIE.

Größenverhältnisse

Zeitstrahl Urknall

Christian Bienmüller